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Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit stufenweiser-Entspannung
und Absaugung Die als Wärmepumpe bezeichnete wärmetechnische Einrichtung bezweckt,
,mit verhältnismäßig geringem Aufwand an mechanischer oder elektrischer Energie
ein Vielfaches an Wärmeenergie in nutzbarer Form zu erzeugen. Sie wird angewandt,
um die Wärme det Umgebung, z. B. die in Flußw asser vorhandene Wärme, auf ein höheres
Temperaturniveau zu heben oder um Wärme, wie sie bei der Industrie in Flüssigkeiten,
Dämpfen oder Bxü .den anfällt, wieder so weit auf eine höhere Temperatur zu bringen,
daß eine Nutzbarmachung möglich wird.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, das die Ausnutzung
der Wärme auf niedrigem Temperaturniveau befindlicher Flüssigkeiten, Dämpfe und
Brüden sowie der Wärme der Umgebung in rationeller Weise ermöglicht. Bei Flüssigkeiten
mit einer für die Wärmeausnutzung zu niedrigen Temperatur war es bisher notwendig,
deren Wärme auf einen Arbeitsstoff zu übertragen, diesen bei, niedrigerer Temperatur
als,. derjenigen der Flüssigkeit zu verdampfen, die Dämpfe des Arbeitsstoffes in
einem Kompressor zu verdichten, sie dann bei einem höheren, durch die Verdichtung
erzielten Druck und einer entsprechend höheren Temperatur zu kondensieren und die
dAei frei werdende Wärme zu verwerten.
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Dabei ist es bekannt, die Verdichtung des in dem Verdampfer verdampften
Arbeitsstoffes stufenweise durchzuführen, ebenso mit stufenweiser Entspannung des
im Kondensator verflüssigten Arbeitsstoffes zu arbeiten und den bei der Teilentspannung
flüssig gebliebenen Anteil des Arbeitsstoffes abzuscheiden
und
jeweils der folgenden Entspannungsstufe zuzuführen, wobei der Wärmequelle entzogene
Wärme dem flüssigen Anteil des Arbeitsmittels in der .letzten Entspannungsstufe
zugeführt wird.
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Während bei den bekannten Ausführungen die gesamte der Wäremequelleentzogene
Wärme nurin@der letzten Entspannungsstufe zugeführt wird, werden bei dem Verfahren
nach der Erfindung mindestens Teilmengen von der Wärmequelle abgegebener Wärme außer
in der letzten Entspannungsstufe zwecks zusätzlicher stufenweiser Verdampfung von
Arbeitsmittel in den Entspannungsistufen auch in vorgeschaltete Entspannungsstufen
eingeführt.
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Dadurch, daß der Wärmequelle entzogene Wärme mehreren Entspannungsstufen
zugeführt wird, wird erreicht, daß nicht die gesamte der Wärmequelle entzogen, Wärme
vom tiefsten Temperaturniveau an gehoben zu werden braucht, sondern daß jede der
Wärmequelle entzogene Teilmenge der Wärme jeweils nur von dem Temperaturniveau jener
Entspannungsstufe an, der sie zugeführt worden ist, auf das gewünschte höhere Temperaturniveau
gehoben zu werden braucht.
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Dementsprechend werden auch die Teilmengen des Dampfes, der in Stufen
mit geringer Druckdifferenz verdichtet wird, gegenüber den Teilmengen des Dampfes,
die mit großer Druckdifferenz verdichtet werden müssen, vergrößert. Somit wird der
Bedarf an mechanischer Energie für die Verdichtung vermindert.
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Der wärmeabgebende Stoff und das Arbeitsmittel können erfindungsgemäß
in den einzelnen Stufen vorgesehene Wärmeaustauscher @in der gleichen Reihenfolge
durchströmen, so daß die auf ein höheres Temperaturniveau zu hebende Wärme vom wärmeabgebenden
Stoff stufenweise auf das Arbeitsmittel' übertragen wird.
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Die auf ein höheres Temperaturniveau zu hebende Wärme kann erfindungsgemäß
aber, auch dein Axbeitsmittel vor seinem Eintritt in die Entspannungsstufen als
Flüssigkeitswärme innewohnen oder dem Arbeitsmittel übertragen werden.
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Es wurde gefunden, daß der Umweg über einen Arbeitsstoff unter der
Voraussetzung, da.B die aufzuwertende Wärme in Form einer Flüssigkeitsmenge mit
einer -bestimmten Temperatur vorliegt, vermieden werden kann, wenn diese Flüssigkeit
an Stelle des geschlossenen Kreisprozesses des Arbeitsstoffes einen offenen Prozeß
durchläuft, bei dem sie in einer oder einer Anzahl von Stufen entspannt wird und
die infolge der Entspannung entstandenen Dampfmengen durch eine unter demselben
Saugdruck arbeitende Verdichterstufe oder durch eine Anzahl derartiger Stufen angesaugt
und- verdichtet werden, bei dem somit eine Flüssigkeitsmenge mit einer höheren Temperatur
der Wärmepumpe zufließt und sie, vermindert ,um die Summe der bei der oder den Entspannungen
entstandenen Dampfmengen, mit einer niedrigeren Temperatur-verläßt, nachdem ihr
bei der Teilentspannung flüssig gebliebener Anteil abgeschieden :und jeweils der
folgenden Entspannungsstufe zugeführt worden ist, daß weiterhin die letzte oder
eine der letzten Stufen, die bei der ersten Entspannung entstandenen zuzÜglich der
in den vorhergehenden Stufen verdichteten Dampfmengen ansaugt und verdichtet ,und
daß diese auf einen gewünschten Druck verdichteten Dämpfe weiterverwendet werden
oder ihre Wärme unter Kondensation -nutzbar gemacht wird.
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Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß man die Temperaturdifferenz
zwischen der abzukühlenden Flüssigkeit und dem zu verdampfenden Arbeitsstoff sowie
zwischen dem zu erwärmenden oder zu verdampfenden Stoff und dem zu kondensierenden
Arbeitsstoff vermeidet .und dadurch infolge des kleineren Verdichtungsverhältnisses
mit einem geringeren Energieaufwand für die Verdichtung auskommt. Dieser Vorteil
wird noch dadurch verstärkt, daß bei einer beispielsweise zweistufigen Verdichtung
die zweite Stufe wesentlich größere Dampfmengen verarbeitet als bei dem Kreisproze$
mit einem Arbeitsstoff bei jeweils derselben Ansaugleistung der ersten Stufe.
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Die Vorzüge des neuen Verfahrens machen sich besonders dann geltend,
wenn es sich darum handelt, aus einer gegebenen Flüssigkeitsmenge eine möglichst
große Wärmemenge zu entnehmen und sie auf ein höheres Temperaturniveau zu heben.
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In der> Zeichnung sind- Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Abb. i zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens,, wobei
Wasser als Flüssigkeit gewählt wurde. In einem Sammelbehälter steht Wasser von q.0°
zur Verfügung. Von hier fließt es einem Entspannungsventil Ei zu, in .dem seine
Temperatur durch Entspannung auf 3o° gesenkt wird. Die durch ,':diese Entspannung
entstandene Dampfmenge wird der geeigneten Stufe eines Kompressors K zugeführt und
dort verdichtet. Der Rest des Wassers fließt einem zweiten, E2, und danach einem
dritten Entspannungsventil E3 zu, wobei _sich der-beschriebene Vorgang jeweils wiederholt,
d~ h., das Wasser von 30° wird durch Entspannung auf 2o° bzw. das von 2o auf io°
gebracht, während der dabei entstandene Dampf wiederum von entsprechend niedrigeren
Steifen des Kompressors angesaugt und verdichtet wird. Bei dreistufiger Entspannung
und mindestens dreistufiger Verdichtung wird von der ersten Stufe des Kompressors
der bei der letzten Entspannung in E3 gewonnene Dampf angesaugt und verdichtet.
In der zweiten oder einer folgenden Stufe des Kompressors kommt der Dampf aus E2
und in der dritten oder einer späteren Stufe derjenige aus Ei hinzu, und zwar, derart,
daß jene Stufe des Kompressors nunmehr die Summe des in E3 und E2 entstandenen Dampfes
zu verdichten hat und diese Stufe die Summe des in E3, E2 und Ei entstandenen Dampfes.
Wenn die Verdichtung bis 4.o° ausreichend ist, steht die Summe des aus Ei, E2 und.
E3 gewonnenen Dampfes mit dem dieser Sättigungstemperatur entsprechenden Druck zur
Verfügung. Ist eine höherer-Temperatur bzw. ein höherer Druck erforderlich, so ruß
dieselbe Dampfmenge entsprechend auf diesen höheren Druck
weiterverdichtet
werden. Der Rest des Wassers fließt mit einer Temperatur von io° ab.
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II. Zieht man jedoch wegen .ungünstiger Eigenschaften der betreffenden
Flüssigkeit, die eine unmittelbare Verwendung erschweren oder unmöglich :machen,
die indirekte Arbeitsweise unter Benutzung von Arbeitsstoffen, wie sie in der Kältetechnik
benutzt werden, oder auch von Wasser vor,. so läßt sich eine andere Ausführungsform
der Erfindung hierfür anwenden.
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Diese ist in Abb. 2 schematisch.dargestellt, wobei als Flüssigkeit
wiederum Wasser gewählt wurde. Das Wasser strömt aus einem Sammelbehälter mit einer
Temperatur von 4o° einem Wärmeaustauscher W1 zu, in dem es sich auf io° abkühlt,
während gleichzeitig die aus dem Entspannungsventil E3 abfließende Menge des Arbeitsstoffes
in flüssigem Zustand von o auf 3o° erwärmt wird, nachdem sie vorher durch eine Pumpe
P auf den notwendigen Druck gebracht worden war.- Dieser Teilstrom des Arbeitsstoffes
mit oder ohne Anwendung des Entspannungsventils Ei' fließt, vermehrt um die Menge
des aus dem Wärmeaustauscher W2 abfließenden, verflüssigten und in dem Entspannungsventil
Ei entspanntem Arbeitsstoffes, einem Abscheider neben Ei zu, wobei seine Temperatur
auf 2o° herabgesetzt wird. Hierbei verdampft ein Teil der Flüssigkeit, der von einer
unter demselben Saugdruck arbeitenden Stufe des Kompressors K ängesaugt wird. Das
Folgende entspricht genau dem, was oben zu Abb. i gesagt ist. Die Summe der in den
Entspannungsventilen Ei, Ei', E2 und E3 er= zeugten Dampfmengen wird
von der entsprechenden Stufe des Kompressors angesaugt, dem Wärmeaustausches W2
zugeführt und dort niedergeschlagen. Durch die dabei frei werdende Wärme verdampft
eine entsprechende Wassermenge. Der so erzeugte Dampf steht dann mit beispielsweise
4o° zur weiteren Verwendung zur Verfügung.
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Statt zur Verdampfung von Wasser kann man die Kondensationswärme des
Arbeitsstoffes auch zur Erwärmung von Gasen, Dämpfen, Flüssigkeiten oder festen
Körpern benutzen.
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III. Bei der indirekten Arbeitsweise, d. h. also unter Verwendung
eines Arbeitsstoffes, erzielt man bei dem nachfolgend beschriebenvn Verfahren ähnliche
Energieausbeuten wie bei dem vorhergehenden. Das Verfahren unterscheidet sich von
dem unter II aufgeführten zunächst dadurch, daß man nicht einen einzigen Wärmeaustausches
nur nach der letzten Entspannungsstufe, sondern je einen Wärmeaustausches nach mehreren
oder allen Entspannungsstufen vorsieht.
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Abb. 3 zeigt die Darstellung einer Ausführungsform, wobei als Flüssigkeit
wiederum Wasser dient. Dieses strömt aus einem Sammelbehälter mit einer Temperatur
von 40° einem Wärmeaustausches W1 zu, in dem es sich auf 3o° abkühlt, während der
mit 40° aus idem Wärmeaustauscher W4 in flüssigem Zustand austretende Arbeitsstoff
nach seiner Entspannung in dem Entspannungsventil Ei, die schon eine kleine Verdampfung
bewirkt, in dem Wärmeaustauscher W1 noch eine zusätzliche Verdampfung infolge der
Wärmezufuhr erfährt. Derselbe Vorgang w ' derholt sich -noch zweimal, wobei
sich das Wasie ser von 30 auf 2o° bzw. von 2o auf io° abkühlt und mit dieser
Temperatur wegfließt, während der auf 25° entspannte Arbeitsstoff in der zweiten
Entspannungsstufe auf i2° und in der dritten Entspannungsstufe auf o° entspannt
wird. Die erste Stufe des Kompressors saugt die bei der dritten Entspannung entstandene
Dampfmenge an, eine der folgenden Stufen diese .und die bei der zweiten Entspannung
entstandene, eine spätere Stufe endlich die bei der dritten, zweiten ,und ersten
Entspannung entstandenen Dampfmengen. Diese Stufe oder bei zu hohem Druckverhältnis
eine oder einige weitere Stufen drücken dann den dampfförmigen Arbeitsstoff dem
Wärmeaustau,scher W4 zu, in dem er unter Abgabe seiner Kondensationswärme an zu
verdampfendes oder zu erwärmendes Wasser niedergeschlagen wird. Im Falle der Verdampfung
von Wasser steht dann dessen Dampf mit 40° zur Verfügung.
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Bei einem Vergleich der neuen, in ,den. Abschnitten I bis III beschriebenen
Verfähren .mit den bisherigen muß man davon ausgehen,''i1U-die Wärme bei einer Temperatur
von 5° im verdampfenden Medium zu übertragen ist, wenn man beispielsweise die Abkühlung
einer Flüssigkeit von 40 auf 1o° C voraussetzt.. Dabei soll durchweg unterstellt
werden, daß der Nutzdampf eine Sättigungstemperatur von 4o° besitzen soll. Dies
setzt wiederum voraus, daß man bei Benutzung eines Arbeitsstoffes diesen auf 45°
verdichten muß, damit er bei seiner Kondensation einen Nutzdampf von 40° erzeugen
kann.
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Nach den bisherigen Verfahren müssen also die im Verdampfer bei 5°
erzeugten Dämpfe des Arbeitsstoffes in beispielsweise einer, zwei oder drei Stufen
. auf 45° verdichtet werden. Dabei werde als Vergleichsprozeß ein solcher mit geringer
Unterkühlung, Drosselung und adiabatischer Verdichtung trockengesättigt angesaugter
Dämpfe zugrunde gelegt und lediglich die Leistungsziffer des' thfeoretischen Prozesses
ermittelt und angegeben..
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Die Leistungsziffer beträgt für eine Verdichtung in
| r 2 1 3 |
| Stufen |
| nach dem bisherigen Ver- |
| fahren mit Wasser als |
| Arbeitsstoff . . . . . . 6,6 '7,3 8,0 |
| mit Moizofluorfrichlor- |
| methan als ' Arbeits- |
| stoff............... 7,4 7#7 7,8 |
| für das Verfahren nach |
| Abschnitt I unter Be- |
| nutzung von Wasser |
| für den offenen Prozeß 9,r 12,9 I4,5 |
| 3 |
| Stufen |
| für das Verfahren nach |
| Abschnitt II mit Was- |
| ser als Arbeitsstoff . . - 8,6 8,9 |
| mit Monofluortrichloi- |
| methan als Arbeits- |
| stöff .... . ......... - g,i 9,2 |
| für das Verfahren nach |
| Abschnitt I II mit Was- |
| ser als Arbeitsstoff . . - 8,6 8,9 |
| mit Monofluortrichlor- |
| methan als Arbeits- |
| stoff .............. - 11,5 11,6 |
Aus den Zahlen ersieht man das beträchtliche Anwachsen der Leistungsziffer und die
deren Kehrlvert proportionale Verringerung der für die Verdichtung erforderlichen
Energie.
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Der Grund für das Anwachsen der Leistungsziffer bei dem Verfahren
nach Abschnitt II liegt darin, daß die Verdichtung nur teilweise in dampfförmigem
Zustand vorgenommen wird, während ein Rest in flüssigem Zustand durch den Wärmeaustauscher
W1 hindurch auf höheren Druck gebracht wird. Dadurch kommt der geringere Energieaufwand
durch Förderung in flüssigem Zustand gegenüber der Verdichbüng in dampfförmigem
Zustand zur Wirkung.
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Bei dem Verfahren nach Abschnitt III wird der geringere Energieaufwand
dadurch erzielt, d'aß die Wärme nicht nur bei der niedrigsten Temperatur von
5', sondern bei einem oder einigen höheren Temperaturwerten, die um eine
oder einige Stufen höher liegen, zugeführt wird.
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Bei beiden Verfahren nach Abschnitt II und, III verarbeitet bei beispielsweise
zweistufiger Verdichtung die .zweite Stufe, ähnlich wie dies schon bei dem Verfahren
nach Abschnitt I erwähnt wurde, wesentlich größere Dampfmengen als bei dem bisher
üblichen Kreisprozeß mit einem Arbeitsstoff, wenn man für die erste Stufe in allen
Fällen dieselbe Ansaugleistung zugrunde legt.
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Will man die Wärme der Umgebung und gleichzeitig auch diejenige einer
Flüssigkeit ausnutzen, deren. Temperatur noch genügend weit über der Temperatur
der Umgebung und um mindestens ebensoviel über ihrem Gefrierpunkt liegt, so kann
dies nach dem in Abb. 4 dargestellten Verfahren geschehen. Der mit beispielsweise
4:o° aus dem Wärmeaustauscher WS austretende verflüssigte Arbeitsstoff wird demgemäß
in Ei bzw. E2 bzw. E3 auf 30 bzw. 2o bzw. io° entspannt, wobei das mit 40°
aus einem Sammelbehälter zufließende Wasser in dem Wärmeaustauscher W1 auf 35°,
in W2 auf 30° und in W3 auf 2o° abgekühlt wird, und dabei jeweils zu der durch die
Entspannung hervorgerufenen Verdampfung eine weitere durch Wärmezufuhr erzielt.
Der Rest des flüssigen Arbeitsstoffes wird in E4 auf o° entspannt und in W4 durch
Abkühlung von Flußwasser beispielsweise von 8 auf 4° völlig verdampft. Die Vorgänge
entsprechen im übrigen den in dem Abschnitt III beschriebenen. Bei dem Verfahren
nach Abb. 4 verläßt das Wasser den Kühler W3 mit 2o°. Um auch dessen Wärme bis io°
oder weniger auszunutzen, ist es notwendig, zwischen W3 und W4 einen Wärmeaustauscher
W4" einzuschalten, in dem sich das Wasser von 2o auf 1o° oder weniger abkühlt und
dabei einen entsprechenden Anteil des Arbeitsstoffes nach seiner Entspannung in
E4 verdampft. Der Wärmeaustauscher W4 hat dann nur den jetzt noch in flüssigem Zustand
befindlichen Rest des Arbeitsstoffes in den dampfförmigen Zustand überzuführen.
Die Beanspruchung des Wärmeaustauschers W4 wird also durch Anwendung des Wärmeaustauschers
W4" verringert. Natürlich beeinflussen die Temperatur der Flüssigkeit, mit der sie
für eine Ausnutzung zur Verfügung steht, und die Endtemperatur, auf die man sie
abzukühlen beabsichtigt, sowie die Temperatur, mit der die Nutzwärme benötigt wird,
in ihrem gegenseitigen Verhältnis die Anwendung der unter I bis IV angegebenen Verfahren.
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Das höhere Temperaturniveau der in Dämpfen und Brüden enthaltenen
Wärme wird mittels der Wärmepumpe normalerweise durch unmittelbare Verdichtung erreicht.
Falls jedoch ungünstige Eigenschaften dieser Dämpfe und Brüden eine unmittelbare
Verwendung erschweren oder hinmöglich machen, so erfolgt die Ausnutzung ihrer Wärme
nach den unter II bis IV beschriebenen Ausführungsformen, wobei an die Stelle der
Abkühlung einer Flüssigkeit und damit der Wärmezufuhr an den Arbeitsstoff die Kondensation
der Dämpfe und Brüden in den Wärmeaustauschern W, (Abb. 2), W, bis W3 (Abb. 3) und
W1 bis W4 (Abb. 4) tritt. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Vorteile der Verfahren.
nach Abschnitt II bis IV und den damit erzielten geringeren Energieverbrauch auch
für die Hebung des Temperaturniveaus von Dämpfen und Brüden auszunutzen.
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Bei den in dem Abschnitt IV beschriebenen Anordnungen kann an die
Stelle der Wärmezufuhr aus der Umgebung oder aus Flüssigkeiten, die sich dabei abkühlen,
Wärmeentziehung aus einem zu kühlenden Gut treten. Es kann aber auch die erwähnte
Wärmezufuhr beibehalten werden und zusätzlich in derselben Kompressions- und Entspannungsstufe
und bzw. oder in ihnen vor- oder nachgeschalteten Stufen die Wärmeentziehung aus
einem zu kühlenden Gut vorgenommen werden.